EP0006442B1

EP0006442B1 - Abgleichbarer Dünnschicht-Widerstand

Info

Publication number: EP0006442B1
Application number: EP79101562A
Authority: EP
Inventors: John Gow 3Rd; Herman Sol Hoffman; Earl Stephans
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1978-07-03
Filing date: 1979-05-22
Publication date: 1983-01-12
Also published as: US4191938A; DE2964466D1; EP0006442A2; EP0006442A3

Description

Die Erfindung betrifft einen abgleichbaren Dünnschicht-Widerstand mit einer Dünnschicht in rechteckförmiger Konfiguration, deren Länge durch den Abstand zweier sich über die Breite dieser Konfiguration erstreckender Elektroden bestimmt ist, und der durch Einbringen von Schnitten in die Dünnschicht abgeglichen ist.
Ein Dünnschicht-Widerstand gemäss dem ersten Teil des Anspruchs 1 ist aus der DE-A-2123283 bekannt.
Schichtwiderstände werden im allgemeinen in gedruckten Schaltungen verwendet und umfassen sogenannte Dickschicht-Widerstände, die konventionell durch Siebdruck eines widerstandsbehafteten Materials auf einem isolierenden Substrat hergestellt werden, und sogenannten Dünnschicht-Widerständen, die konventionell durch Kathodenzerstäubung oder Aufdampfen eines widerstandsbehafteten Materials auf ein isolierendes Substrat verwirklicht werden. In gedruckten Schaltungen ist es oft erforderlich, den Widerstandswert der Dünnschicht-Widerstände abzugleichen. Um den Widerstandswert eines Dünnschicht-Widerstandes zu erhöhen, wird entlang des elektrischen Stromweges ein Schnitt durchgeführt, durch den die effektive Breite des Widerstandes kleiner und damit der Widerstandswert grösser wird. Der Schnitt kann auf mechanischem oder chemischem Wege oder auch durch Verdampfung des Widerstandsmaterials durch Laserbestrahlung eingebracht werden. Die Vorteile eines Abgleiches mit einem Laserstrahl liegen in einem höheren Produktionsausstoss, einer grösseren Flexibilität im Abgleich und in engeren Toleranzen der erzielten Widerstandswerte.
Es sind mehrere Methoden zum Abgleich von beispielsweise aus einer Keramik-Metall-Verbindung (CrSiO) bestehenden Dünnschicht-Widerständen mittels Laserstrahl bekannt. Beim sogenannten Impulsabgleich werden durch den Widerstand Stromimpulse geleitet, die den Widerstandswert durch Änderung der Struktur und Zusammensetzung des Materials verändern. Die maximale Variationsbreite des Widerstandswertes beträgt dabei etwa 50%. Bei einer entsprechenden Methode wird das Widerstandsmaterial mit einem Laserstrahl geringer Intensität erwärmt, wodurch sich der Widerstandswert verändert. Auch hierbei erhält man eine maximale Variationsbreite des Widerstandswertes von etwa 50%.
Beim sogenannten Netzwerkabgleich wird ein Dünnschicht-Muster erzeugt, das seriell und parallel verbundene Leitungen enthält. Mit Hilfe eines Laserstrahles werden bestimmte Leitungen unterbrochen, so dass sich die Länge der Dünnschicht verändert. Diese Methode hat den Vorteil, dass sie ausgehend von einer gegebenen Dünnschicht-Struktur eine grosse Variationsbreite hinsichtlich der erzielbaren Widerstandswerte gewährleistet. Nachteilig ist, dass die auf diese Weise hergestellten Dünnschicht-Widerstände einen sehr hohen Flächenbedarf aufweisen.
Schliesslich ist eine Methode bekannt, bei der das Widerstandsmaterial in begrenzten Gebieten verdampft wird, so dass sich der Widerstandswert erhöht.
Es kann festgestellt werden, dass für die bekannten abgleichbaren Dünnschicht-Widerstände eine Variationsbreite der erzielbaren Widerstandswerte in der Grösse von etwa 50% bis 100% angenommen werden kann.
In der gegenwärtig angewandten Technik der gedruckten Schaltungen werden metallisierte keramische Moduln verwendet, die auf einer gedruckten Schaltungsplatte angeordnet sind und mindestens ein integriertes Halbleiterplättchen tragen. Dabei werden beispielsweise eine Vielzahl von sogenannten Abschlusswiderständen auf einem metallisierten, keramischen Substrat mit einer Seitenlänge von 25,04mm angeordnet. Die Widerstände verbinden das Halbleiterplättchen mit Eingabe/Ausgabeanschlüssen. Beispielsweise benötigt man Widerstände von 750 Ohm und ebenfalls Widerstände von 7500 Ohm. Beim Versuch diese Forderungen zu erfüllen, hat man Dickschicht-Widerstände ausprobiert, die eine Dicke in der Grössenordnung von 24um aufweisen. Von denen zur Herstellung dieser Widerstände verwendeten keramischen Pasten weist jede einen bestimmten Widerstandswert auf, so dass es erforderlich ist, jeweils mehrere solcher Pasten zu mischen. Beim Abgleich dieser Widerstände kann man, will man noch eine ausreichende Stabilität gewährleisten, lediglich eine Variationsbreite von etwa dem dreifachen Ausgangswert erreichen. Daraus folgt die Notwendigkeit, eine Vielzahl von Substraten unterschiedlicher Teilenummern auf Lager zu halten, was ausserordentlich kostspielig ist. Ausserdem ist festzustellen, dass bei dieser Art von Widerständen die Widerstandspaste zunächst auf eine Seite und dann die Metallisierung auf die andere Seite des Substrates aufzubringen ist, da die zum Aushärten der Paste erforderliche Erhitzung auf eine Temperatur von etwa 800° C für die Metallisierung zu hoch wäre. Das bedeutet aber, dass eine doppelte Maskierung erforderlich ist, was ausserordentlich zeitaufwendig und kostspielig ist.
Es ist also eine Widerstandsart zu fordern, bei der der eigentliche Widerstand und die Metallisierung auf einer Seite des Substrates angeordnet sind und bei der eine möglichst grosse Variationsbreite der Widerstandswerte gewährleistet ist.
Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst demnach die Aufgabe, einen abgleichbaren Dünnschicht-Widerstand anzugeben, bei dem durch seine flächenmässige Konfiguration und durch geeignete Wahl der Abgleichstellen dafür gesorgt ist, dass bei minimalem Flächenbedarf eine maximale Variationsbreite für die Widerstandswerte erzielt wird.
Zusammengefasst stellen sich die Erfindung und die durch sie erreichten Vorteile folgendermassen dar: Hergestellt wird der abgleichbare Dünnschicht-Widerstand insbesondere durch Verwendung einer Keramik-Metall-Verbindung (CrSiO) als Material für die Dünnschicht. Die Dicke der Dünnschicht liegt in der Grössenordnung von 100nm, wodurch eine gute Stabilität gewährleistet ist und gleichzeitig nur dünne Laserschnitte für den Abgleich benötigt werden. Das Abgleichen erfolgt mittels Laserstrahl, durch den das Material in scharf begrenzten Gebieten verdampft und damit eine Erhöhung des Widerstandswertes herbeigeführt wird. Die flächenmässige Konfiguration des Widerstandes und die Abgleichstellen sind nun so gewählt, dass ein maximaler Abgleichbereich bei gleichzeitig minimalem Flächenbedarf des Widerstandes erzielt wird. Man wählt aus diesem Grunde für die Dünnschicht eine durch ein niedriges Verhältnis von Länge zu Breite bestimmte flächenmässige Konfiguration. Der Schichtwiderstand des verwendeten Materials liegt vorzugsweise bei 1000 Ohm/Flächenquadrat. Das Material ist auf ein isolierendes Substrat aufgebracht und mit geeigneten Elektroden verbunden. Die Anzahl der Flächenquadrate ergibt sich aus dem Verhältnis von Länge zu Breite der Dünnschicht. Zum Abgleichen des Widerstandes werden Laserschnitte durchgeführt, die die flächenmässige Konfiguration ändern und es erlauben, viele Flächenquadrate zu erzeugen. Auf diese Weise erhält man eine extrem hohe Abgleichbreite, so dass man ausgehend von einem Widerstandsgrundwert eine grosse Variationsbreite hinsichtlich der Widerstandswerte erzielt. Diese Variationsbreite ermöglicht es, für viele Anwendungen, die unterschiedliche Widerstandswerte verlangen, eine gemeinsame Grundstruktur für den Dünnschicht-Widerstand vorzusehen, so dass nur jeweils eine Teilenummer erforderlich ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung die Draufsicht eines erfindungsgemässen Dünnschicht-Widerstandes im unabgeglichenen Zustand,
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht des Widerstandes nach Fig. 1,
Fig. 3 bis 5 schematische Draufsichten des Widerstandes gemässFig. 1 nach definierten, mittels eines Laserstrahls vorgenommenen Abgleichoperationen, so dass eine unterschiedliche Anzahl paralleler Flächenquadrate zwischen den Elektroden und damit unterschiedliche Widerstandswerte erzeugt werden, und
Fign. 6 bis 8 schematische Draufsichten des Widerstandes gemäss Fig. 1, wobei durch Laserstrahlen unterschiedliche Anzahlen von seriell zwischen den Elektroden liegenden Flächenquadraten und damit entsprechende Widerstandswerte erzeugt sind.

Der in den Fign. 1 und 2 dargestellte erfindungsgemässe abgleichbare Dünnschicht-Widerstand weist die angestrebte flächenmässige Konfiguration mit kleinem Verhältnis von Länge zu Breite der Dünnschicht auf. Der Widerstand befindet sich im unabgeglichenen Zustand. Das Material der Dünnschicht des Widerstandes 10 besteht bevorzugt aus einer Zusammensetzung von 62% Cr und 38% SiO. Der Schichtwiderstand dieser Keramik-Metall-Verbindung ist abhängig von der Zusammensetzung, wobei der Widerstand mit grösser werdendem Anteil an SiO zunimmt. Geeignete Zusammensetzungen liegen im Bereich von 70% Cr - 30% SiO bis 50% Cr - 50% SiO. Die grösste Flexibilität für den Abgleich des Widerstandes erreicht man jedoch bei einer Zusammensetzung von 62% Cr - 38% SiO.
Im betrachteten Ausführungsbeispiel ist die Dünnschicht 10 auf ein eine Seitenlänge von 25,4mm aufweisende keramisches Substrat 11 aufgebracht, das gleichzeitig die Basis für ein metallisiertes keramisches Modul bildet. Ein vollständiges Modul (nicht dargestellt) enthält dann ein integriertes Halbleiterplättchen, ein metallisches Leitungsmuster, mehrere Eingangs/Ausgangs-Anschlüsse und mehrere Dünnschicht-Widerstände, die beispielsweise als Abschlusswiderstände zwischen Halbleiterplättchen und den Eingangs/Ausgangs-Anschlüssen dienen.
Die Dünnschicht 10 wird vorzugsweise durch Kathodenzerstäubung als durchgehende Schicht ,auf das keramische Substrat 11 aufgebracht, da diese Methode schnelle und kostmässig unaufwendig ist. Die Dicke der Dünnschicht kann beispielsweise im Bereich von 50 bis 150nm liegen. Beim betrachteten Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke 100nm. Der Schichtwiderstand des Materials kann von 700 bis 3000 Ohm/Ffächenquadrat variieren. Durch Anwendung einer konventionellen Vierpunkt-Messmethode kann der Zerstäubungsprozess so gesteuert werden, dass ein Widerstandswert von 1000 Ohm/Flächenquadrat erreicht wird.
Nach dem Aufbringen der Dünnschicht 10 wird darüber eine Schicht aus Cr-Cu-Cr aufgedampft. Unter Anwendung konventioneller Photoätztechnik wird die aufgebrachte Metallschicht und die Dünnschicht so geätzt, dass mehrere Dünnschicht-Widerstände 10 auf dem Substrat entstehen, die jeweils Elektroden 12 und 13 aufweisen. Beim betrachteten Ausführungsbeispiel weist die Widerstandsschicht eine Länge von 0,508mm auf, die dem Stromweg zwischen den Elektroden entspricht, und eine Breite von 2,032mm. Dies entspricht einer Flächengeometrie mit einem Verhältnis von Länge zu Breite von 1 zu 4. Die Widerstandsschicht selbst wird vorzugsweise durch Plasmaätzen definiert, da sich dabei engere Toleranzen und eine höhere Langzeitkonstanz erreichen lassen. Beim erfindungsgemässen Dünnschicht-Widerstand sind Toleranzen von ± 2% möglich.
Der Widerstandswert der Dünnschicht hängt von der Anzahl der Flächenquadrate ab, die mit dem Verhältnis von Länge zu Breite variiert. Da der Widerstand nach Fig. 1 einen Schichtwiderstand von 1000 Ohm/Flächenquadrat aufweisen soll und das Verhältnis von Länge zu Breite vor dem Abgleich 1 zu 4 ist, hat der Widerstand im ursprünglichen Zustand einen Widerstandswert entsprechend ¼ Flächenquadrat, was also 250 Ohm ergibt.
Wie bereits ausgeführt, ist es ein Ziel der Erfindung, mit einer Widerstands-Grundstruktur durch Abgleich über einen weiten Bereich verteilte Widerstandswerte einstellen_' zu können, ohne dass dadurch ein Einfluss auf den Flächenaufwand festzustellen wäre. Bei einer Anwendung ist es beispielsweise erforderlich, mehrere Abschlusswiderstände auf einem Modul zur Verfügung zu haben, von denen einige einen Widerstandswert von 750 und andere einen Widerstandswert von 7500 Ohm aufweisen. Diese unterschiedlichen Widerstände lassen sich durch die erfindungsgemässe flächenmässige Konfiguration und Abgleichsmethode, die durch eine Veränderung der Anzahl der Flächenquadrate gekennzeichnet ist, herstellen.
Wie in Fig. 1 dargestellt, weist der nicht abgeglichene Widerstand eine Länge von 0,508mm und eine Breite von 2,032mm auf, was % Flächenquadrat mit einem Widerstand von 250 Ohm ergibt. Die in den Fign. 3 bis 5 dargestellten abgeglichenen Widerstände weisen eine unterschiedliche Anzahl von Flächenquadraten auf, die parallel zwischen den Elektroden angeordnet sind. Durch diese unterschiedliche Anzahl von Flächenquadraten wird der Widerstandswert erhöht. Im Beispiel der Fig. 3 ist ein Laserschnitt 14 vorgesehen, durch den ein Verhältnis von Länge zu Breite in der Grösse von 0,508mm zu 1,524mm erzielt wird. Dadurch entsteht ein '/₃ Flächenquadrat, was 333 Ohm entspricht. In entsprechender Weise erzeugt =ein Laserschnitt 15 in Fig. 4 ½ Flächenquadrat, was 500 Ohm ergibt. Der in Fig. 5 vorgesehene Laserschnitt 16 erzeugt ein 1 Flächenquadrat, was 1000 Ohm ergibt.
In den Ausführungsbeispielen gemäss Fign. 6 bis 8 wird durch den Abgleich die Anzahl der Flächenquadrate verändert, die seriell zwischen den Elektroden liegen, um dadurch den Widerstandswert zu erhöhen. Im Beispiel der Fig. 6 bewirkt der Laserschnitt 17 ein Verhältnis von Länge zu Breite von 0,508mm zu 0,254mm. Es entsteht ein Stromweg von 2 Flächenquadraten zwischen den Elektroden und somit ein Widerstandswert von 2000 Ohm. Im Beispiel der Fig. 7 erzeugen die Laserschnitte 18 und 19 einen Stromweg von 9 Flächenquadraten zwischen den Elektroden, so dass sich ein Widerstandswert von 9000 Ohm ergibt. Am Beispiel der Fig. 8 liefern die Laserschnitte 20, 21 und 22 einen 16 Flächenquadrate umfassenden Stromweg und damit einen Widerstandswert von 16000 Ohm.
Es zeigt sich, dass durch Anwendung der beschriebenen Flächengeometrie und Laserschnitte, die beispielsweise eine Breite von 0,25mm aufweisen, Widerstände mit weit auseinanderliegenden Widerstandswerten verwirklichbar sind, wobei nur ein minimaler Teil der Substratoberfläche . aufgewendet werden muss.

Claims

1. Abgleichbarer Dünnschicht-Widerstand mit einer Dünnschicht (10) in rechteckförmiger Konfiguration, deren Länge durch den Abstand zweier sich über die Breite dieser Konfiguration erstrekkender Elektroden (12, 13) bestimmt ist, und der durch Einbringen von Schnitten (14 bis 22) in die Dünnschicht (10) abgeglichen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Konfiguration geringer ist als ihre Breite und dass der Wiederstand durch eine festlegbare Anzahl von Teilflächenquadraten der Konfiguration abgeglichen ist die in serieller und/oder paralleler Anordnung widerstandsbestimmend zum Stromfluss beitragen.

2. Dünnschicht-Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Festlegung der Anzahl der Teilflächenquadrate durch Laserschnitte (14 bis 22) in der Dünnschicht (10) erfolgt.

3. Dünnschicht-Widerstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die Dünnschicht (10) eine Keramik-Metall-Verbindung dient.

4. Dünnschicht-Widerstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik-Metall-Verbindung aus CrSiO besteht.

5. Dünnschicht-Widerstand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung der Keramik-Metall-Verbindung im Bereich von 70% Cr-30% SiO bis 50%Cr-50% SiO liegt.

6. Dünnschicht-Widerstand nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Länge zu Breite der Dünnschicht (10) 1 zu 4 ist und dass die Festlegung der Teilflächenquadrate im Bereich von ¼ Flächenquadrat bis 16 Flächenquadrat liegt.

7. Dünnschicht-Widerstand nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtwiderstand des Materials für die Dünnschicht (10) bei 1000 Ohm/Flächenquadrat liegt.